JP4010362B2 - Quantum Turing machine - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導体を用いて形成した量子チューリング機械に関するものである。 The present invention relates to a quantum Turing machine formed using a superconductor.
複数の超伝導秩序パラメーター間の位相差をエレクトロニクスに応用する手法として、複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンを利用することを特徴とする超伝導エレクトロニクスについては、すでに、本発明に先立ち、下記の特許文献1(以下、「前発明」という)に開示されている。
一方、量子チューリング機械においては、種々の量子ビットが考案されている。代表的なものとして、核スピンを使う方法や、原子のエネルギー準位を使う方法がある。また、半導体による人工原子を作成することも試みられている。通常の超伝導体による量子ビットも提案されている。 On the other hand, various quantum bits have been devised in the quantum Turing machine. As a typical example, there are a method using a nuclear spin and a method using an atomic energy level. Attempts have also been made to create artificial atoms from semiconductors. Qubits using ordinary superconductors have also been proposed.
前発明において、情報ビットとなるバンド間位相差ソリトンSは、繋がっている回路上に遍在するため、その操作が煩雑であった。これを、空間的に狭い領域に閉じ込め、ビット操作を容易にする必要がある。 In the previous invention, the inter-band phase difference soliton S, which is an information bit, is ubiquitous on the connected circuit, and thus its operation is complicated. It is necessary to confine this in a spatially narrow area to facilitate bit manipulation.
また前発明においては、量子重ね合わせ状態を作り量子ビットを構成する方法は提供したが、この量子ビットを使って、量子チューリング機械を構成するための、基本的な演算方法は提供されていなかった。 In the previous invention, a method for forming a quantum superposition state and forming a qubit was provided, but a basic calculation method for configuring a quantum Turing machine using this qubit was not provided. .
現在までに、量子チューリング機械を作るために提案されている量子ビットにおいては、提案されているいずれの方法も、現在のテクノロジーでは、多ビット化が困難であり、実用化には100年以上がかかるとされている。 To date, in the qubits proposed to make quantum Turing machines, any of the proposed methods has been difficult to increase in number of bits with the current technology, and more than 100 years have been required for practical use. It is supposed to take.
また、超伝導等の巨視的量子状態を使わない量子ビットでは、量子チューリング機械を機能させるための重ね合わせ状態が、外界との相互作用によって崩壊しやすく、量子チューリング機械を使って、量子アルゴリズムを実行するのに十分な時間を得ることが出来ない。 In addition, in qubits that do not use macroscopic quantum states such as superconductivity, the superposition state for functioning the quantum Turing machine tends to collapse due to interaction with the outside world, and the quantum algorithm can be changed using the quantum Turing machine. I don't get enough time to do it.
この発明は上記に鑑み提案されたもので、量子ビットの構成を容易に行うことができ、基本的な論理演算も確実に実行することができ、また多ビット化が可能であり、さらに量子アルゴリズムを実行するのに十分な時間を確保することができる量子チューリング機械を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of the above, and it is possible to easily configure qubits, to surely execute basic logical operations, to increase the number of bits, and to further provide a quantum algorithm. It is an object of the present invention to provide a quantum Turing machine capable of securing a sufficient time for executing the above.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、超伝導体を用いて形成した量子チューリング機械において、上記超伝導体の複数のバンドの各々に存在する、複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンを利用して作った量子ビットで構成し、上記量子ビットは、上記超伝導体で形成した線状回路本体と、上記線状回路本体の少なくとも2箇所に径を細くして形成した井戸状部分と、を備える線状回路に、位相差ソリトンを局在化させることで構成する、ことを特徴としている。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 is a quantum Turing machine formed using a superconductor, wherein a plurality of types of superconducting electrons present in each of a plurality of bands of the superconductor. It consists of qubits made using phase difference solitons generated between them, and the qubits are narrowed at least in two places: the linear circuit body formed of the superconductor and the linear circuit body. linear circuit and a well-shaped portion formed Te, to configure by localizing the phase difference soliton is characterized by.
また、請求項2に記載の発明は、超伝導体を用いて形成した量子チューリング機械において、上記超伝導体の複数のバンドの各々に存在する、複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンを利用して作った量子ビットで構成し、上記量子ビットは、上記超伝導体で形成したリング本体と、上記リング本体の少なくとも2箇所に径を細くして形成した井戸状部分と、を備えるリングに、位相差ソリトンを局在化させることで構成する、ことを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a phase difference soliton generated between a plurality of types of superconducting electrons in each of a plurality of bands of the superconductor in a quantum Turing machine formed using the superconductor. The qubit includes a ring body formed of the superconductor and a well-shaped portion formed by reducing the diameter at least at two locations of the ring body. the ring, to configure by localizing the phase difference soliton is characterized by.
さらに、請求項3に記載の発明は、上記した請求項2に記載の発明の構成に加えて、上記2つの井戸状部分のうち、第1の井戸状部分をその一部に有する第1の補助リングをリングに付加し、第2の井戸状部分をその一部に有する第2の補助リングをリングに付加するとともに、リングと第1の補助リングと第2の補助リングの各々にスイッチを設けて量子ビットを構成する、ことを特徴としている。 The present invention as described in claim 3, in addition to the configuration of the invention according to claim 2 described above, one of the two wells shaped portion, the first having a first well-shaped portion in a part thereof An auxiliary ring is added to the ring, a second auxiliary ring having a second well-like portion in part is added to the ring, and a switch is provided for each of the ring, the first auxiliary ring, and the second auxiliary ring. It is characterized in that a quantum bit is provided.
また、請求項4に記載の発明は、上記した請求項2に記載の発明の構成に加えて、上記リングに位相差ソリトンを局在させ、第1の補助リングおよび第2の補助リングの各スイッチの操作により、量子ビットのユニタリ変換を実現する、ことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the invention, in addition to the configuration of the second aspect of the invention described above, the phase difference soliton is localized in the ring, and each of the first auxiliary ring and the second auxiliary ring is provided. It is characterized by realizing unitary conversion of qubits by operating a switch.
また、請求項5に記載の発明は、上記した請求項4に記載の発明の構成に加えて、上記量子ビットのユニタリ変換は、先ずリングの中に、位相差ソリトンによる位相スリップに相当する磁場をかけながらそのリングのスイッチをオンしてリングに位相差ソリトンを作り、次に第1、第2の補助リングの何れか一方の選択補助リングのスイッチをオンし、その選択補助リングの中に外場としての磁束を入れ、その後選択補助リングのスイッチをオフし、所定時間経過後再度オンすることにより行われる、ことを特徴としている。 Further, an invention according to claim 5, in addition to the structure of the invention according to claim 4 as described above, unitary transformation of the qubit, first in the ring, which corresponds to a phase slip by the phase difference soliton field Turn on the ring switch to make a phase difference soliton in the ring, and then turn on the selection auxiliary ring of either the first or second auxiliary ring, and in the selection auxiliary ring It is characterized in that the magnetic field is applied as an external field, and then the selection auxiliary ring is turned off and then turned on again after a predetermined time has elapsed.
請求項6に記載の発明は、上記した請求項3に記載の発明の構成に加えて、上記量子ビットを2つ並列に配置し、一方の量子ビットの第1の補助リングに、スイッチを備えたバランスリングを重ね合わせ、さらに一方の量子ビットの第2の補助リングと他方の量子ビットの第2の補助リングとの双方に渡って、スイッチを備えた相互作用リングを重ね合わせて、2量子ビット間の制御NOTゲートを構成する、ことを特徴としている。 According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the third aspect of the present invention, two qubits are arranged in parallel, and a switch is provided in the first auxiliary ring of one qubit. And an interaction ring provided with a switch is overlapped over both the second auxiliary ring of one qubit and the second auxiliary ring of the other qubit. A control NOT gate between bits is formed.
また、請求項7に記載の発明は、上記した請求項6に記載の発明の構成に加えて、上記2量子ビット間の制御NOTの演算は、先ず2つの量子ビットの各リングの中に、位相差ソリトンによる位相スリップに相当する磁場をかけながらその各リングのスイッチをオンして位相差ソリトンを作り、その後相互作用リングのスイッチをオンすることにより実行される、ことを特徴としている。 The invention described in Claim 7, in addition to the structure of the invention according to claim 6 as described above, calculation of the controlled-NOT between the two qubits, first in each of the two rings of a qubit, It is characterized in that it is executed by turning on a switch of each ring while applying a magnetic field corresponding to a phase slip caused by a phase difference soliton to create a phase difference soliton, and then turning on an interaction ring.
この発明の量子チューリング機械では、超伝導の電線の形状を工夫することで、複数の超伝導秩序パラメーターを持つ超伝導体にソリトンSを局在化させることができ、ビット操作が簡単になり、量子ビットの構成を容易に行うことができる。また、基本的な論理演算処理を確実に実行させることができる。また、多ビット化、集積化が可能である。さらに超伝導という巨視的量子状態を使うことにより、コヒーレンスを保ちやすく、量子アルゴリズムを実行するのに十分な時間を確保することができる。 In the quantum Turing machine of the present invention, by devising the shape of the superconducting electric wire, the soliton S can be localized in the superconductor having a plurality of superconducting order parameters, and the bit operation is simplified. A qubit can be easily configured. In addition, basic logical operation processing can be surely executed. Further, multi-bit and integration are possible. Furthermore, by using a macroscopic quantum state called superconductivity, coherence can be easily maintained, and sufficient time can be secured for executing the quantum algorithm.
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
この発明では、超伝導体の複数のバンドの各々に存在する超伝導秩序パラメーター間の位相差を利用して作った量子ビットで、量子チューリング機械を構成している。この超伝導秩序パラメータ間の位相差の利用は、ここでは例えば複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンSの利用である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the present invention, a quantum Turing machine is constituted by qubits made by using the phase difference between superconducting order parameters existing in each of a plurality of bands of a superconductor. The use of the phase difference between the superconducting order parameters is, for example, use of a phase difference soliton S generated between a plurality of types of superconducting electrons.
先ず、この位相差ソリトンSを局在させる構成について説明する。図1(a)に示すように、複数のバンドを有する超伝導体で作ったリングRが、スイッチSWによって開閉できるようにしておく。複数のバンドを有する超伝導体としてはCuxBa2Ca3CuOy等がある。 First, a configuration for localizing the phase difference soliton S will be described. As shown in FIG. 1A, a ring R made of a superconductor having a plurality of bands is opened and closed by a switch SW. Examples of the superconductor having a plurality of bands include Cu x Ba 2 Ca 3 CuO y .
バンド間位相差ソリトンSによる位相スリップΘsolitonに相当する磁場ΦsolitonをかけながらスイッチSWをオンすると、リングRにソリトンSが発生する(図1(b))。ここで、ソリトンSは矢印で示す。位相のずれる方向を矢印の向きで示した。 When the switch SW is turned on while applying the magnetic field Φsoliton corresponding to the phase slip Θsoliton due to the interband phase difference soliton S, the soliton S is generated in the ring R (FIG. 1B). Here, the soliton S is indicated by an arrow. The direction of phase shift is indicated by the direction of the arrow.
このようにして作ったソリトンSは、リングRの中のどこにいてもエネルギーは同じなので、リングRの中に遍在する。その存在確率は、量子力学的確率分布に従う。 The soliton S produced in this way is ubiquitous in the ring R because the energy is the same anywhere in the ring R. Its existence probability follows a quantum mechanical probability distribution.
次に、ソリトンSを局在化させるための形状の工夫の一例を示す。図1では、回路(リング)は太さを持たない電線で書きあらわしたが、実際に回路を構成する超伝導電線は太さを持つ。図2にその電線の概念図を示す。仮に、この電線C上にソリトンSを1個置いたときには、図2(a)では、どこにソリトンSがあってもいいので、ソリトンSは遍在する。ソリトンSのエネルギーは、電線Cの断面積に比例するので、図2(b)のように電線Cに細い部分を作ると、ソリトンSはそこにはまり易くなる(局在しやすくなる)。図2(c)に、ソリトンSの感じるポテンシャルエネルギーを縦軸に、電線Cの延びている方向を横軸にして、この様子を概念的に示した。 Next, an example of a shape for localizing the soliton S will be described. In FIG. 1, the circuit (ring) is represented by an electric wire having no thickness, but the superconducting electric wire actually constituting the circuit has a thickness. The conceptual diagram of the electric wire is shown in FIG. If one soliton S is placed on the electric wire C, the soliton S is ubiquitous in FIG. Since the energy of the soliton S is proportional to the cross-sectional area of the electric wire C, if a thin portion is formed in the electric wire C as shown in FIG. 2B, the soliton S is likely to be fitted (localized easily). FIG. 2 (c) conceptually shows this state with the potential energy felt by the soliton S as the vertical axis and the direction in which the wire C extends as the horizontal axis.
このように、電線Cを部分的に細くする等の加工によって、ソリトンSを局在させることができる。 Thus, the soliton S can be localized by processing such as partially thinning the electric wire C.
次に、上記のような方法で局在化させたソリトンSを使って、量子ビットを構成する例を示す。 Next, an example in which a qubit is configured using the soliton S localized by the above method will be described.
図3(a)に示すように、電線Cに細くした部分(井戸状部分)W1,W2を、左右2箇所に作る。この電線Cの作るポテンシャルを図3(b)に図示する。ここにソリトンSを一個入れると、古典的には、左(左側の井戸状部分W1)に入るか右(右側の井戸状部分W2)に入るかどちらかになる。図4(a)と図4(b)にその様子を図示した。ここでは黒い丸でソリトンSを表した。量子力学的には、この問題は、2つの井戸型ポテンシャルを持つ系に、一つ粒子を入れた状態に相当する。ソリトンSが粒子に相当する。ソリトンSは、ポテンシャルバリアを通して、トンネルすることができる。左にソリトンSを作る生成演算子をa+ L、消滅演算子をaLとし、右にソリトンSを作る生成演算子をa+ R、消滅演算子をaRとし、トンネル確率をTA、井戸型ポテンシャルの深さを図4(a)に示すようにVL,VRとすると、この系のハミルトニアンHは、下記の式(1)のようになる。
このようなハミルトニアンHにソリトンSを1個投入すると、量子ビットになる。ソリトンSが左にあったときの波動関数をΨL、右にあったときの波動関数をΨRとすると、この量子ビットの波動関数Ψ(t)は、次式(2)で表される。
上記の式(2)で、cL(t),cR(t)は、時間と共に変化する係数であり、複素数でかつ次式(3)を満たしている。
ところで、量子ビットを使って量子チューリング機械を実現する場合、その量子ビットに要求される性質は、
(1)1量子ビットに任意のユニタリ変換が施せること
(2)2量子ビットで、制御NOTゲートを構成できること
の2点である(西野哲郎著、岩波講座、物理の世界、「量子コンピューターと量子暗号」2002年3月15日発行、ISBN4−00−011159−0、第36頁参照)。この2点を満たす量子チューリング機械を、上記した局在化ソリトンSを使って構成した量子ビットで実現した。その例を以下に示す。
By the way, when realizing a quantum Turing machine using a qubit, the properties required for the qubit are:
(1) Arbitrary unitary transformation can be applied to one qubit. (2) The control NOT gate can be configured with two qubits (by Tetsuro Nishino, Iwanami Lecture, Physics World, “Quantum Computer and Quantum Cipher "issued on March 15, 2002, ISBN4-00-011159-0, page 36). A quantum Turing machine that satisfies these two points was realized with a qubit configured using the above-described localized soliton S. An example is shown below.
先ず、1量子ビットのユニタリ変換の実現法の例を示す。 First, an example of a method for realizing unitary transformation of 1 qubit is shown.
図5(a)(b)に示すように、超伝導体で形成したリング本体R1と、このリング本体R1上に設けたスイッチSWと、リング本体R1の2ヶ所で径を細くして形成した部分(井戸状部分)W1,W2とでリングR0を形成した。そして、図1と同じ手法でソリトンSをリングR0上につくる。図5(b)では、ソリトンSは、井戸状部分W1,W2のどちらかに生成する。また、外場は、ずっとかけたままにしておく。この段階では、ハミルトニアンHは、上記の式(1)と同じ形を持つ。また、井戸状部分W1,W2の形状を同じにしておく。すなわち、VL=VRとする。このとき、ハミルトニアンHの固有関数Ψ(t)は、次式(4)となる。
式(4)において、通常はスイッチオン直後(t=0)は、cA(t=0)=0である。 In the equation (4), c A (t = 0) = 0 usually immediately after the switch is turned on (t = 0).
さて、ここで、図6に示すように、上記のリングR0の2つの井戸状部分W1,W2のうち、第1井戸状部分W1をその一部に有する第1補助リングRLをリングR0に付加し、第2井戸状部分W2をその一部に有する第2補助リングRRをリングR0に付加するとともに、第1補助リングRLと第2補助リングRRの各々にスイッチSW1,SW2を設けて量子ビットを構成する。 Now, as shown in FIG. 6, among the two well-like portions W1 and W2 of the ring R0, the first auxiliary ring RL having the first well-like portion W1 as a part thereof is added to the ring R0. In addition, a second auxiliary ring RR having a second well-shaped portion W2 as a part thereof is added to the ring R0, and switches SW1 and SW2 are provided in each of the first auxiliary ring RL and the second auxiliary ring RR to provide a quantum bit. Configure.
そして、図7に示すように、第1補助リングRLのスイッチSW1をオンにして、その第1補助リングRLの中に、外場として磁束を
境界条件から、リングR0の第1井戸状部分W1にソリトンSがいる場合は、次式(6)が成立し、
上記の式(6)(7)において、μLは第1補助リングRLの自己誘導係数、ILは第1補助リングRLに誘起される誘導超伝導電流、ΦsolitonはソリトンSによる位相スリップを補償するための磁束量である。 In the above formulas (6) and (7), μ L is the self-induction coefficient of the first auxiliary ring RL, I L is the induced superconducting current induced in the first auxiliary ring RL, and Φ soliton compensates for the phase slip caused by the soliton S. It is the amount of magnetic flux to do.
ソリトンSがある場合、
ここで、
上記の式(14)において、taは、第1補助リングRLのスイッチSW1をオンにした時の時刻である。 In the above equation (14), t a is the time when the switch SW1 of the first auxiliary ring RL is turned on.
次に第1補助リングRLのスイッチSW1のオン、オフで、波動関数Ψ(t)の時間的発展がどうなるかを例をあげて説明する。 Next, an example of how the temporal development of the wave function Ψ (t) occurs when the switch SW1 of the first auxiliary ring RL is turned on and off will be described.
図7において、リングR0のスイッチSWをオンにした時をt=0ととる。0<t<taでは、時間的発展はなく、正確にいうと、ΨLとΨRの係数に位相差が生じないで、次式(15)が成立する。
次にt=taの時点で、第1補助リングRLのスイッチSW1をオンにしたとする。このときの時間的発展は、
t=tbにおける波動関数Ψ(t)は、次式(19)で表される。
SW1をオフにした後の、t>tbにおける時間的発展は、再び式(4)の形に戻り、
α0とβは0から2πの間で任意に選べるので、上記の式(24)は、量子チューリング機械を構成要素である1量子ビットに対する、n任意のユニタリー変換を提供する。すなわち、図6、図7は量子チューリング機械を構成するための、構成要素である1量子ビットの例を提供している。右側の第2補助リングRRも同様の働きを持つことは明らかである。 Since α 0 and β can be arbitrarily selected between 0 and 2π, the above equation (24) provides n arbitrary unitary transformations for one qubit which is a constituent element of the quantum Turing machine. That is, FIG. 6 and FIG. 7 provide an example of one qubit which is a constituent element for configuring a quantum Turing machine. It is obvious that the second auxiliary ring RR on the right side has a similar function.
次に、量子チューリング機械を作るために必要な、2量子ビットの間の制御NOTゲートの作成法を説明する。図6、図7で説明した量子ビットを量子ビットBとして、それに、あらたに、量子ビットBと同一構成の量子ビットAを付け加える。これを図8で示した。分かりやすくするために、制御NOTゲートに関係する電線のみを残してある。さらに、量子ビットA,B同士を相互作用させるための相互作用リングM、バランスリングNを用意した。 Next, a method of creating a control NOT gate between two qubits necessary for making a quantum Turing machine will be described. The qubit described in FIGS. 6 and 7 is defined as a qubit B, and a qubit A having the same configuration as the qubit B is newly added thereto. This is shown in FIG. For simplicity, only the wires associated with the control NOT gate are left. Furthermore, an interaction ring M and a balance ring N for causing the qubits A and B to interact with each other were prepared.
すなわち、図8に示すように、この2つの量子ビットA,Bを並列に配置し、量子ビットBの第1補助リングRLに、スイッチSW3を備えたバランスリングNを重ね合わせ、さらに量子ビットBの第2補助リングRRと量子ビットAの第2補助リングRRとの双方に渡って、スイッチSW4を備えた相互作用リングMを重ね合わせて、2量子ビット間の制御NOTゲートを構成する。 That is, as shown in FIG. 8, the two qubits A and B are arranged in parallel, and the balance ring N provided with the switch SW3 is superimposed on the first auxiliary ring RL of the qubit B, and further the qubit B A control NOT gate between two qubits is formed by overlapping the interaction ring M including the switch SW4 over both the second auxiliary ring RR and the second auxiliary ring RR of the qubit A.
簡単のために、ここでは、相互作用リングMの自己誘導係数とバランスリングNの自己誘導係数は同じになるように設計してあるとする。その自己誘導係数をμcouplingとおく。また、量子ビットBの第1補助リングRLとバランスリングNとは電気的な絶縁をとった上で、ぴったり上下に重ね、量子ビットBの第1補助リングRLに発生した磁束のみを感じるようにしておく。 For simplicity, it is assumed here that the self-induction coefficient of the interaction ring M and the self-induction coefficient of the balance ring N are designed to be the same. Let the self-induction coefficient be μcoupling. In addition, the first auxiliary ring RL and the balance ring N of the qubit B are electrically insulated from each other, and are superposed on each other so that only the magnetic flux generated in the first auxiliary ring RL of the qubit B can be felt. Keep it.
相互作用リングMとバランスリングNとはいずれも、単一のオーダーパラメータからなる超伝導体で構成し、量子ビットA,Bの補助リングRL,RR上に発生する磁束をすべて打ち消すように超伝導電流が流れるようにする。すなわち、磁束は量子ビットA、Bの各補助リングRLの中を通り、相互作用リングMの中から反発されて、その相互作用リングMの外側に抜けていく道筋を通る。 Both the interaction ring M and the balance ring N are composed of a superconductor having a single order parameter, and are superconducting so as to cancel all the magnetic fluxes generated on the auxiliary rings RL and RR of the qubits A and B. Allow current to flow. In other words, the magnetic flux passes through the auxiliary rings RL of the qubits A and B, is repelled from the interaction ring M, and passes along a path that goes out of the interaction ring M.
そして、2量子ビットA,B間の制御NOTの演算は、先ず2つの量子ビットA,Bの各リングR0の中に、位相差ソリトンSによる位相スリップΘsolitonに相当する磁場をかけながらその各リングR0にソリトンSを作り、その後相互作用リングMのスイッチSW4をオンすることにより実行される。 The calculation of the control NOT between the two qubits A and B is performed by first applying each magnetic field corresponding to the phase slip Θsoliton caused by the phase difference soliton S to each ring R0 of the two qubits A and B. This is performed by creating a soliton S in R0 and then turning on the switch SW4 of the interaction ring M.
このときに実現される状態は、図9〜図12に挙げられる状態の重ね合わせ状態である。図9〜図12では、バランスリングNのスイッチSW3、相互作用リングMのスイッチSW4は入れたものとして、省略してある(スイッチをいれることにより、相互作用が始まる。) The state realized at this time is a superposition state of the states listed in FIGS. In FIGS. 9 to 12, the switch SW3 of the balance ring N and the switch SW4 of the interaction ring M are omitted, and are omitted (the interaction starts when the switch is turned on).
さて、図9〜図12で定義されるそれぞれの状態を|00>、|01>、|10>、|11>で書き、それぞれが、第1成分から第4成分までになったときのハミルトニアンの行列を書き下すと、次式(25)となる。
ここで、簡単のため、補助リングRL,RRにかける外場は切った。また、量子ビットA,Bの補助リングRL,RRは同じ自己誘導係数を持つものと考え、そこで環状超伝導電流によって生じるエネルギーは、下駄としてあらかじめ差し引いた。また相互誘導係数による磁場のエネルギーも簡単のため無視した。 Here, for simplicity, the outside field applied to the auxiliary rings RL and RR was cut off. Further, the auxiliary rings RL and RR of the qubits A and B are considered to have the same self-induction coefficient, and the energy generated by the annular superconducting current is deducted beforehand as a clog. The energy of the magnetic field due to the mutual induction coefficient was ignored for simplicity.
TAは量子ビットAでのソリトンSのトンネル確率、TBは量子ビットBでのソリトンSのトンネル確率である。また、
次にTA<<TBとすると、次式(28)が成立する。
TA<<TBは、量子ビットA,B同士を相互作用させる前に、量子ビットA,Bを構成する電線を繋ぎかえて、長くしたりして、変更することができる。また、後述するように、補助リングを使ってトンネル確率を変更することもできる。 T A << T B can be changed by changing the length of the electric wires constituting the qubits A and B before the qubits A and B interact with each other. Also, as will be described later, the tunnel probability can be changed using an auxiliary ring.
さらに、TB<<εの時には、
系の波動関数Ψ(t)の時間的発展は、次式(30)で表される。
上記の式(30)において、
すなわち、このとき、波動関数に対するユニタリ変換行列は、
この位相項は、上記の1量子ビットに対するユニタリ変換で1にすることができる。このユニタリ変換を施すことにより、最終的には、目的とした制御NOTゲート
上記では、トンネル確率をTA<<TBとする設定は、量子ビットA,B同士を相互作用させる前に、量子ビットの電線を繋ぎかえて、長くしたりして、変更するようにしたが、補助リングを使ってトンネル確率を変更することもできる。例えば図13に示すように、補助リングR10をつけて、その中に、外場を入れると、実効的にポテンシャルバリアを変化させることができて、ソリトンSのトンネル確率を変化させることができる。 In the above, the setting that the tunnel probability is T A << T B is changed by changing the length of the qubit wires before making the qubits A and B interact with each other. However, it is possible to change the tunnel probability using an auxiliary ring. For example, as shown in FIG. 13, when the auxiliary ring R10 is attached and an external field is put therein, the potential barrier can be effectively changed, and the tunnel probability of the soliton S can be changed.
なお、上記の事例は、量子ビットを1つまたは2つとして説明したが、この量子ビットを任意の数備えて多ビット化することもできる。 In the above example, the number of qubits is one or two, but an arbitrary number of qubits can be provided to increase the number of bits.
またビットの読み出しは、補助リングRL,RRに発生する磁束を測定することで可能である。一度読み出したあと、ソリトンSのサイトエネルギーをトンネルエネルギーより大きくとるように変更することで、ソリトンSを古典的な情報ビットとして扱うことができる。すなわち、位相差ソリトンSが局在する確率を0%と100%の何れかとし、重ね合わせ状態を使わない古典的なデジタル論理を行わせるようにしてもよい。 The bit can be read out by measuring the magnetic flux generated in the auxiliary rings RL and RR. Once read, the soliton S can be treated as a classical information bit by changing the site energy of the soliton S to be larger than the tunnel energy. That is, the probability that the phase difference soliton S is localized may be either 0% or 100%, and classical digital logic that does not use the superposition state may be performed.
また、本発明に使う、複数の超伝導秩序パラメーターは、複数のバンドに存在するだけでなく、同一のバンドに存在するケースもある。たとえば、d波超伝導体で、図14に示すように、フェルミ面の縦じまで示した領域内、横じまで示した領域内では、強い相互作用が働き、縦じまと横じまの間では弱い相互作用が働くような超伝導体では、縦じまと横じまの部分でそれぞれ別々の超伝導秩序パラメーターが定義でき、同一バンドを持つ超伝導体にソリトンSを存在させることができる。このソリトンSでも、この発明で開示した構成および効果を発現できる。 In addition, a plurality of superconducting order parameters used in the present invention may exist not only in a plurality of bands but also in the same band. For example, in a d-wave superconductor, as shown in FIG. 14, strong interaction works in the region shown up to the vertical stripe of the Fermi surface and in the region shown up to the horizontal stripe, and weak between the vertical stripe and the horizontal stripe. In superconductors in which interaction works, separate superconducting order parameters can be defined in the vertical stripes and horizontal stripes, and solitons S can exist in superconductors having the same band. This soliton S can also exhibit the configuration and effects disclosed in the present invention.
以上述べたように、この発明の量子チューリング機械では、超伝導の電線の形状を工夫することで、複数の超伝導秩序パラメーターを持つ超伝導体にソリトンSを局在化させることができる。 As described above, in the quantum Turing machine of the present invention, the soliton S can be localized in a superconductor having a plurality of superconducting order parameters by devising the shape of the superconducting electric wire.
したがって、ビット操作が簡単になり、量子ビットの構成を容易に行うことができる。また、ユニタリ変換や制御NOT演算といった基本的な論理演算処理を確実に実行させることができる。また、多ビット化、集積化が可能である。さらに超伝導という巨視的量子状態を使うことにより、コヒーレンスを保ちやすく、量子アルゴリズムを実行するのに十分な時間を確保することができる。 Therefore, the bit operation is simplified, and the configuration of the qubit can be easily performed. Further, basic logical operation processing such as unitary conversion and control NOT operation can be reliably executed. Further, multi-bit and integration are possible. Furthermore, by using a macroscopic quantum state called superconductivity, coherence can be easily maintained, and sufficient time can be secured for executing the quantum algorithm.
A 量子ビット
B 量子ビット
C 電線
M 相互作用リング
N バランスリング
R0 リング
R1 リング本体
R10 補助リング
RL 第1補助リング
RR 第2補助リング
S バンド間位相差ソリトン
SW リングRのスイッチ
SW1 第1補助リングRLのスイッチ
SW2 第2補助リングRRのスイッチ
SW3 バランスリングNのスイッチ
SW4 相互作用リングMのスイッチ
W1 井戸状部分
W2 井戸状部分
A qubit B qubit C wire M interaction ring N balance ring R0 ring R1 ring body R10 auxiliary ring RL first auxiliary ring RR second auxiliary ring S interband phase difference soliton SW ring R switch SW1 first auxiliary ring RL SW2 Switch of second auxiliary ring RR SW3 Switch of balance ring N SW4 Switch of interaction ring M W1 Well-shaped part W2 Well-shaped part
Claims (7)
上記超伝導体の複数のバンドの各々に存在する、複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンを利用して作った量子ビットで構成し、
上記量子ビットは、
上記超伝導体で形成した線状回路本体と、
上記線状回路本体の少なくとも2箇所に径を細くして形成した井戸状部分と、
を備える線状回路に、位相差ソリトンを局在化させることで構成する、
ことを特徴とする量子チューリング機械。 In quantum Turing machines formed using superconductors,
Consists of qubits made using phase difference solitons generated between multiple types of superconducting electrons that exist in each of the multiple bands of the superconductor,
The qubit is
A linear circuit body formed of the superconductor;
A well-shaped portion formed by reducing the diameter in at least two locations of the linear circuit body;
It is configured by localizing a phase difference soliton in a linear circuit comprising
Quantum Turing machine characterized by that.
上記超伝導体の複数のバンドの各々に存在する、複数種類の超伝導電子間に生じる位相差ソリトンを利用して作った量子ビットで構成し、
上記量子ビットは、
上記超伝導体で形成したリング本体と、
上記リング本体の少なくとも2箇所に径を細くして形成した井戸状部分と、
を備えるリングに、位相差ソリトンを局在化させることで構成する、
ことを特徴とする量子チューリング機械。 In quantum Turing machines formed using superconductors,
Consists of qubits made using phase difference solitons generated between multiple types of superconducting electrons that exist in each of the multiple bands of the superconductor,
The qubit is
A ring body formed of the superconductor;
A well-shaped part formed by reducing the diameter in at least two locations of the ring body;
It is configured by localizing a phase difference soliton on a ring comprising
Quantum Turing machine characterized by that.
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